Obtenir une tension négative avec un régulateur LM2596 ?
Dans cet article nous verrons comment concrètement mettre en marche un afficheur fluorescent dont le fonctionnement général a été détaillé dans un article précédent (Afficheurs fluorescents (VFD) : Théorie - Partie 1). Certains modes d'alimentation peuvent faire appel à des tensions négatives. Nous verrons comment en obtenir facilement grâce à des modules très communs.
Sommaire
Alimentation
Il faut distinguer deux circuits d'alimentation : La tension appliquée aux filaments pour les chauffer VF, et la tension VEE appliquée au reste du circuit (grilles et segments).
Comme on l'a vu dans le chapitre précédent, les différences de potentiel entre filaments, grilles, et segments constituent la base du fonctionnement de ce type d'écran.
Tension des filaments
La durée de vie de l'écran est directement liée à celle des filaments dont les matériaux peuvent s'évaporer si la tension (et donc la température) à laquelle ils sont soumis est trop importante.
Quelques volts suffisent à alimenter les filaments de tungstène. En pratique il s'agit souvent d'une tension alternative (AC) car avec une tension continue (DC) la luminosité globale de l'écran est non uniforme à cause de la chute de tension due à la distance entre les deux bornes. En tension continue l'écran est plus lumineux du côté ayant le potentiel le plus bas (la masse).
Des astuces de fabrication peuvent contrecarrer cet effet (les broches des écrans auront une polarité à respecter), néanmoins ceci n'est valable que pour les écrans de petite taille.
Tension des grilles et segments
La tension des grilles et segments en mode éteints (tension de coupure) doit être franchement inférieure à la tension des filaments pour repousser fortement les électrons et éviter un phénomène d'illumination fantôme non désirée.
Tensions négatives vs tensions positives
Deux méthodes d'alimentation peuvent être trouvées :
en tension négative : Permet de rendre les segments sensibles/pilotables par une tension logique (3.3V ou 5V) correspondant la plupart du temps aux tensions requises par les microcontrôleurs/drivers de pilotage. L'usage de tels drivers permet de simplifier le circuit. Des alternatives "manuelles" plus complexes utiliseront des registres à décalages PMOS ou transistors PNP.
en tension positive : Permet de tout alimenter en 5V/12V en utilisant des registres à décalage CMOS (série des 74HC*) ou des transistors NPN (type BC547).
Ainsi, si on alimente les filaments avec une tension de 1.2V, l'éclairage des segments se fera en les connectant en même temps que la grille à un potentiel plus haut d'environ 12V à 30V.
Les drivers d'écrans fluorescents que j'ai sous la main optent pour l'alimentation en tension négative. C'est à dire que si on alimente les filaments avec une tension de -1.2V, l'éclairage des segments se fera en les connectant en même temps que la grille à un potentiel plus haut (5V), correspondant à la tension d'alimentation du contrôleur.
Tester un VFD
Dans la plupart des afficheurs les broches des cathodes/filaments sont aux 2 extrémités (quelques dizaines d'ohms entre les 2 broches) ; les grilles et segments sont ensuite ordonnés selon leur numérotation (G1...Gn, S1...Sn).
La masse doit être commune pour les 2 alimentations (filaments et grilles/segments).
La procédure donnée ci-dessous utilise des tensions positives. Consultez la documentation du driver branché à l'écran et adaptez-les, car il pourrait ne pas supporter de telles tensions s'il est censé fonctionner avec des tensions négatives.
Augmentez la tension appliquée à 1 borne des filaments petit à petit à partir de 1.2V (l'autre extrémité est connectée à la masse), restez dans l'obscurité puis revenez en arrière au moment où vous commencez à voir les filaments devenir légèrement incandescents. Dès 1.2V la luminosité peut être considérée comme suffisante pour l'écran que je possède. Cette tension devrait pouvoir être poussée jusqu'à 3V. Le courant consommé se situe entre 20 et 100mA.
La première grille (il peut y en avoir plusieurs) sera portée à une tension de 12V à 30V et le reste maintenu à 0V (GND) ou laissé flottant.
Appliquez ensuite cette même tension au segment que vous souhaitez éclairer dans la première grille. Celui-ci doit s'éclairer.
Générer des tensions négatives
La tension est définie comme la différence de potentiel entre deux points, de sorte que le fait qu'elle soit considérée comme "négative" ou "positive" dépend de la différence entre le point en question et la référence choisie.
Ainsi, par exemple, si l'on connecte une batterie de 12V à un circuit dans lequel la borne positive de la batterie est reliée à la référence locale ou au point de "masse", la borne négative sera considérée comme étant à -12V par rapport à cette masse.
J'utiliserai ici un convertisseur DC-DC dit "buck" abaisseur de tension modifié. Il s'agit d'un module très courant construit autour d'un régulateur LM2596 de Texas Instrument (Voir datasheet).
Module buck basé sur le régulateur LM2596.
Voici le schéma du circuit dans sa configuration classique, tiré du datasheet du LM2596 de Texas Instrument :
Le montage suivant provient toujours du datasheet mais propose une configuration adaptée pour produire une tension négative :
La masse (GND) du circuit devient maintenant la tension de sortie négative, et la sortie positive devient la masse.
Sur ce dernier schéma (8-5) seuls les composants D1, D3, C1, R1 et R2 ont été ajoutés par rapport au montage classique en abaisseur de tension. Le pont diviseur servant au réglage de la tension de sortie, présent sur le module acheté n'est pas détaillé.
Les diodes D1 et D3 sont les plus importantes :
D1, 1N5823 : Empêche le couplage du bruit (ripple) de l'alimentation d'entrée avec la sortie à travers le condensateur CIn en cas de faible/absence de charge. Elle procure une boucle fermée de régulation.
Choix :
- si basse tension : diode schottky (chute de tension plus faible)
- si haute tension : une diode à récupération rapide est conseillée (une schottky donc...)
Voici les caractéristiques de la diode conseillée :
- max repetitive reverse voltage: 20V
- max average forward current: 5A
- non repetititve peak current: 100A
- forward voltage: 330mV-470mV
- reverse current: 10mA
Je choisis une 1N5822 (3A, 525mV) mais j'aurais pu prendre une 1N5819 (1A).
D3, 1N5400 : Quand CIn se charge, il peut placer la sortie -Vout à une tension positive de plusieurs volts... D3 empêche cette tension positive d'être plus grande que sa propre chute de tension.
Voici les caractéristiques de la diode conseillée (General purpose rectifier) :
- max repetitive reverse voltage: 50V
- max average forward current: 3A
- non repetititve peak current: 200A
- forward voltage: 1.2V
- reverse current: 0.5-20mA
Je choisis une 1N5399 (1.5A, 600mV).
La tension négative d'alimentation des filaments est donc obtenue avec le montage suivant :
Obtention d'une tension négative à partir d'un LM2596.
À propos de D2 sur les modules Aliexpress : La diode D2 notée 1N5825 supportant 5A sur le schéma est en général une diode notée SS34 (3A) sur les modules en provenance d'Aliexpress. Certains suspectent qu'il s'agit en réalité d'une SS14 (1A) renommée car la SS34 est censée avoir un boitier plus gros ; ceci expliquerait d'ailleurs pourquoi ces modules n'atteignent pas les 3A promis...
À propos du système de bootstrap (condensateur C1 et résistances R1, R2) : Dans le mode régulateur inversé, le LM2596 requiert momentanément au moins 2A de courant en entrée pour une initialisation correcte. Ce système optionnel s'avère nécessaire si un tel courant n'est pas disponible. Le condensateur C1 en se chargeant maintient le régulateur en mode OFF.
À propos de la différence de potentiel entre l'entrée et la sortie du module : La différence maximale de tension à travers le régulateur est la somme des valeurs absolues des tensions d'entrée et de sortie ; elle ne doit pas dépasser 40V. Par exemple si on convertit +20V en -12V, le régulateur verra 32V entre ses 2 broches.
Ainsi de fortes tensions négatives peuvent être obtenues à partir de faibles tensions positives. Toutefois, comme le montre le schéma 8-6 ci-dessus, le courant disponible risque d'être faible (bien que suffisant pour notre cas d'usage).
Circuit
Dans mon cas d'usage voici les tensions nécessaires et suffisantes pour la mise en service de l'écran :
- VCC (Tension microcontrôleur, grilles et segments à l'état actif) : 5V
- VEE (Tension grilles et segments à l'état inactif) : 0 to VCC-30V DC (Ce sera 0V/GND par souci de simplicité pour économiser l'usage d'un 2ième régulateur)
VF (Tension filaments) : -1.2V
TODO: à venir (07-07-2022)
Conclusion
Nous avons vu comment un écran fluorescent doit être branché pour démontrer un fonctionnement minimal.
Le contrôleur embarqué derrière l'écran peut maintenant être alimenté en 5V et être commandé par un microcontrôleur comme une carte Arduino par exemple.
La prochaine étape fera l'objet d'un prochain article, il s'agira de programmer l'affichage de motifs plus complexes (textes, icônes).
